Podstawy projektowania instalacji oddymiania

ochrona przeciwpożarowa
podstawy projektowania instalacji
oddymiania grawitacyjnego
mgr inż. Edward SKIEPKO
Oddymianie grawitacyjne to, obok systemów nadciśnieniowych i wentylacji wyciągowonawiewnej, jeden z systemów wykorzystywany jest do odprowadzania dymu i ciepła
powstałego podczas pożaru. Zastosowanie instalacji oddymiającej powoduje usunięcie
gazów i dymów pożarowych, a tym samym pozwala np. na utrzymanie pionowych dróg
ewakuacyjnych w stanie wolnym od zadymienia, zabezpieczenie konstrukcji budynku
przed uszkodzeniem związanym z działaniem wysokiej temperatury oraz niedopuszczenie do rozgorzenia.
W
zależności od miejsca instalacji oraz zadania, jakie spełnia
w budynku, możemy mówić o instalacjach oddymiających:
§ klatki schodowe,
§ poziome drogi ewakuacyjne,
§ szyby dźwigów,
§ magazyny wysokiego składowania,
§ sceny teatralne,
§ budynki produkcyjno-magazynowe,
budynki
użyteczności publicznej.
§
Instalacje do odprowadzania dymu
i ciepła w myśl przepisów ochrony
przeciwpożarowej [2] są urządzeniami
przeciwpożarowymi. Zgodnie z definicją przez pojęcie „urządzenia przeciwpożarowe” – należy rozumieć urządzenia (stale lub półstałe, uruchamiane ręcznie lub samoczynnie) służące do
zapobiegania powstaniu, wykrywania,
zwalczania pożaru lub ograniczania
jego skutków, a w szczególności m.in.
właśnie urządzenia oddymiające.
Każde urządzenie przeciwpożarowe powinno być wykonane zgodnie
z projektem – oczywiście projektem
możliwie szczegółowym – uzgodnionym pod względem ochrony przeciwpożarowej przez rzeczoznawcę
do spraw zabezpieczeń przeciwpożarowych, a warunkiem jego użytkowania jest przeprowadzenie prób potwierdzających jego prawidłowe działanie. Zatem projekt systemu oddymiania to projekt zawierający szczegółowe rozwiązania w zakresie:
54
§ doboru i obliczeń powierzchni od-
dymiania, powszechnie stosowane są tu jako zasady wiedzy technicznej zapisy polskiej normy PNB-02877-4 [3],
§ realizacji sposobu sterowania oddymianiem – mamy tu różne rozwiązania, oprócz sterowania elektrycznego występuje także sterowanie pneumatyczne, topikowe
ze sprężyną lub siłownikiem gazowym. Poszczególne typy sterowań mają oczywiście swoje wady
i zalety,
§ wskazanie sposobu napowietrzania, czyli kompensacji i zapewnienia dopływu powietrza w miejsce
gazów i dymów już usuniętych,
§ sposobu odbioru instalacji w tym
określenia rodzaju testów pozwalających potwierdzić prawidłowość działania instalacji.
wymagania
formalnoprawne
Przepisy [1] wymagają, aby samoczynne urządzenia oddymiające uruchamiane za pomocą systemu wykrywania dymu oraz rozwiązania zapewniające usuwanie dymu (grawitacyjnie
lub mechaniczne) z pomieszczeń i dróg
ewakuacyjnych instalowane były:
§ w krytych ciągach pieszych (pasażach), do których przylegają lokale
handlowe i usługowe,
§ w przekrytych dziedzińcach wewnętrznych,
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
§ na scenach teatralnych o po-
wierzchni powyżej 150 m2,
§ w podziemnych kondygnacjach
budynków, w których znajdują się
pomieszczenia przeznaczone dla
ponad 100 osób oraz budowlach
podziemnych z takim pomieszczeniem,
§ w garażach zamkniętych w strefie pożarowej przekraczającej
1500 m2,
§ w budynkach wielokondygnacyjnych określonych w § 245 RMI [1] na
klatkach schodowych odpowiednio zamykanych i obudowanych,
§ w budynkach wysokich i wysokościowych w sposób określony
w § 246 i § 2474 [1],
§ w szybach dźwigu przeznaczonego dla ekip ratowniczych.
Podobnie jak przy stałych urządzeniach wodnych, również zastosowanie samoczynnych urządzeń oddymiających lub samoczynnych urządzeń oddymiających uruchamianych za pomocą systemu wykrywana dymu powoduje złagodzenia wymagań budowlanych w zakresie:
§ klasy odporności pożarowej budynków,
§ dopuszczalnej powierzchni stref
pożarowych,
dopuszczalnej
długości dojść ewa§
kuacyjnych,
§ dopuszczalnej długości przejść
ewakuacyjnych,
Oddymianie grawitacyjne jest to
system, który wykorzystuje w swo-
im działaniu przede wszystkim zjawisko unoszenia gorącego dymu do
góry i jego koncentrację w wyższych
przestrzeniach pomieszczeń.
cele i funkcje systemu
oddymiania grawitacyjnego
Podstawowe cele systemów grawitacyjnego oddymiania, jak i w ogóle systemów służących do usuwania
dymu związane są z ich działaniem
w czasie pożaru, w szczególności dotyczą one:
§ umożliwienia bezpiecznej ewakuacji z budynku objętego pożarem,
pionowymi i poziomymi drogami
ewakuacyjnymi,
§ zwiększenie widoczności poprzez usunięcie dymu oraz gazowych produktów spalania z klatki schodowej, na którą przedostał
się dym,
§ zwiększenie widoczności i umożliwienie działań ekipom ratowniczym w przypadku budynków
produkcyjno-magazynowych,
§ ograniczenie stężenia toksycznych produktów spalania i rozkładu termicznego oraz temperatury, również poprzez usunięcie ich wraz z dymem, a także
poprzez rozrzedzenie napływającym, świeżym powietrzem,
§ zmniejszenie ryzyka zawalenia
się budynku lub jego części poprzez usunięcie gorących gazów
spod sufitu, dzięki czemu maleje
nr 10/2014
możliwość nagrzania się elementów konstrukcyjnych budynku do
wartości krytycznych, po przekroczeniu których, następuje utrata
ich właściwości nośnych,
§ zmniejszenie strat materialnych
wywołanych działaniem dymu
i temperatury. Dym ma właściwości korozyjne i często zawiera
dużo substancji smolistych, przez
co może stać się przyczyną uszkodzeń konstrukcji lub wyposażenia budynku,
opóźnienie
rozprzestrzeniania się
§
pożaru i uniemożliwienie wystąpienia zjawiska rozgorzenia. Podczas spalania materiałów powstały strumień ciepła rozchodzi się
we wszystkich kierunkach, jednak najwięcej energii cieplnej kumuluje się pod sufitem. Część tego
strumienia po dojściu do przegrody budowlanej (np. sufitu, ściany)
zostaje pochłonięta przez przegrodę, część zaś ulega odbiciu i wraca do pożaru, intensyfikując jego
spalanie,
§ zwiększenie bezpieczeństwa prowadzenia akcji ratowniczo-gaśniczej. Urządzenia do usuwania
dymu i ciepła zmniejszają ryzyko zatrucia się toksycznymi gazami spalinowymi przez strażaków
biorących udział w akcji,
§ zapobieganie powstawaniu nadmiernego ciśnienia na klatce
schodowej i wciskania się dymu
poprzez nieszczelności na pozostałe kondygnacje,
poprawa
własności dymu. Napły§
wające chłodniejsze powietrze
wzmaga termiczny napęd dymu
(zjawisko unoszenia) i powoduje
zwiększenie szybkości usuwania
dymu,
§ wysterowanie zjazdu windy na poziom 0, w obiektach gdzie nie ma
SSP, a jest oddymianie i winda,
zwolnienie trzymaków elektromagnetycznych, w drzwiach, które muszą się zamknąć podczas pożaru.
Inne funkcje systemów oddymiania grawitacyjnego niezwiązane z pożarem to:
nr 10/2014
możliwość przewietrzania klatki schodowej, za pomocą przycisków
przewietrzania
poprawa właściwości jakościowych powietrza poprzez przewietrzanie,
klapy dachowe mogą stanowić rodzaj doświetlenia klatki schodowej i powierzchni hal,
klapy dachowe mogą również być
stosowane, jako wyłazy dachowe,
W dalszej części przedstawione
są podstawowe założenia i możliwości oddymiania klatek schodowych,
obiektów wielko kubaturowych oraz
szybów windowych.
Zjawisko efektu kominowego to
unoszenie gorącej warstwy dymu
powstającego podczas pożaru, szczególnie nasila się przy niższej temperaturze zewnętrznej. Powietrze wewnątrz pomieszczenia posiada wtedy siłę unoszącą, gdyż ma ono mniejszą gęstość i jest cieplejsze, co zgodnie z prawami fizyki wymusza ruch
tego powietrza w górę. W przypadku
normalnego ciągu kominowego prądy powietrza są w stanie przenieść
dym na znaczną wysokość – odległość od źródła pożaru. Efekt kominowy nasila się również wraz ze
wzrostem wysokości np. klatki schodowej (rys. 1.).
oddymianie
klatek schodowych
Szczególnym przypadkiem jest oddymianie przestrzeni przypominających komin lub szyb, np. klatek schodowych. Klatkę schodową z uwagi
na swoje parametry budowlane, czyli znacznie większy wymiar wysokości w stosunku do powierzchni przekroju poziomego, można uznać za komin. Ważną rolę odgrywa tu również
jej wysokość – im wyższa klatka, tym
efekt kominowy jest silniejszy i oddymianie bardziej skuteczne.
Z efektem kominowym związane jest pojęcie płaszczyzny obojętnej lub równoważnej ciśnienia hydrostatycznego. Płaszczyzna ta to poziom, na którym ciśnienie wewnątrz
szybu jest takie samo jak na zewnątrz
dach budynku
Wysokość
[m]
ciśnienie dodatnie
płaszczyzna
równoważna
ciśnienie ujemne
0
P [Pa]
Rys. 1. Definicja pojęcia płaszczyzny równoważnej
budynku. Wysokość tej płaszczyzny może się zmieniać w zależności od temperatur wewnętrznej i zewnętrznej, co widać na rysunku 1.,
oraz sposobu wentylowania klatki
schodowej. Dodatnie wartości ciśnienia na wykresie oznaczają, to, że ciśnienie wewnątrz szybu jest większe
niż na zewnątrz i odwrotnie. Jeśli pożar wybuchnie poniżej płaszczyzny
równoważnej, to dym dopływa z powietrzem znajdującym się w budynku do klatki i odpływa do góry. Gdy
dym znajdzie się powyżej płaszczyzny równoważnej, to zaczyna wydobywać się z klatki do wyższych kondygnacji budynku. Jeżeli między kondygnacjami istnieją tylko nieznaczne
drogi przepływu, to kondygnacje leżące poniżej płaszczyzny obojętnej
będą wolne od dymu, z wyjątkiem
tej kondygnacji, na której wystąpił
pożar. Dym z pożaru usytuowanego
powyżej płaszczyzny obojętnej jest
unoszony przez prąd powietrza na zewnątrz przez otwory w szczycie budynku. Jeżeli drogi przepływu między kondygnacjami są nieznaczne, to
wszystkie kondygnacje, oprócz tej,
na której trwa pożar, będą wolne od
dymu. Jeżeli występują znaczne drogi przepływu między kondygnacjami, to nastąpi ruch dymu w górę do
kondygnacji leżącej powyżej tej, na
której trwa pożar.
Systemy oddymiania grawitacyjnego klatek schodowych wykorzystują
zatem w swoim działaniu, naturalne
zjawiska fizyczne, które przy odpowiednich warunkach pogodowo-temperaturowych, pozwalają na usunię-
cie dymu z klatki schodowej. System
ten podczas pożaru, poprzez szereg
elementów, które mają się otworzyć
lub pozostać zamknięte, zamienia
klatkę schodową w swoisty komin.
Istotą poprawnego działania tego systemu jest oprócz wpływu warunków
atmosferycznych, odpowiednie dobranie powierzchni oddymiania i napowietrzania, oraz zapewnienie wydzielenia klatki schodowej drzwiami
o odpowiedniej odporności ogniowej
wraz samozamykaczami.
oddymianie obiektów
wielkokubaturowych
Innym przypadkiem jest wykorzystanie oddymiania grawitacyjnego do odprowadzania dymu i ciepła
w obiektach wielko kubaturowych,
takich jak hale magazynowe czy hale
produkcyjne.
Oddymianie ma tu na celu przede
wszystkim ochronę konstrukcji budynku. Hale te podzielone są na strefy oddymiania za pomocą kurtyn dymowych, ma to na celu przede wszystkim odgraniczenie rozprzestrzeniania się dymu w warstwie podsufitowej i skuteczne usunięcie dymu z części hali bezpośrednio nad źródłem
pożaru (rys. 2.).
W systemach tych bardzo ważną
rolę odgrywa możliwość dostarczenia
świeżego powietrza w miejsce odprowadzanych gazów i dymów. Realizuje
się to za pomocą specjalnych klap napowietrzających lub poprzez otwarcie
bram i doków załadunkowych, przy
czym z praktycznego punktu widze-
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
55
ochrona przeciwpożarowa
klapy oddymiające – odprowadzanie dymu
i ciepła z sektora oddymiania
sektory oddymiania
zasobnik dymu
zasobnik dymu
kurtyny dymowe
pożar
strefa wolna od dymu
automatyczne otwarcie
napowietrzania
automatyczne otwarcie
napowietrzania
Rys. 2. Schemat oddymiania hali wielkokubaturowej
nia nie powinno to odbywać się ręcznie – jak dopuszcza norma [3], lecz
za pośrednictwem siłowników zasilanych z rezerwowego źródła zasilania, np. zasilacza ZUP firmy MERAWEX [4]. Rozwiązanie takie powoduje, że nawet w przypadku zaniku napięcia czy odłączenia prądu przeciwpożarowym wyłącznikiem siłowniki bram nadal będą zasilane i moż-
liwe będzie uruchomienie napowietrzania. Urządzenie to współpracuje z systemem sygnalizacji pożarowej lub może monitorować sygnały z wyłączników krańcowych klap.
Rozwiązanie to gwarantuje w przypadku braku napięcia w sieci zasilającej, że w momencie wykrycia pożaru lub zadziałania klap, kiedy następuje uruchomienie oddymiania, na-
zasilacz urządzeń
przeciwpożarowych ZUP
otwarcie
bramy
wej.
wyj.
sterujące uszkodzenie
wej.
230 V
otw.
wyj.
230 V
napęd
bramy
zam.
stąpi przełączenie na źródło zasilania
rezerwowego.
W układzie przedstawionym na
rysunku widzimy sterowanie z systemu sygnalizacji pożarowej, monitorowanie stanu zasilacza oraz sterowanie otwarciem bram do sterowników „SB”, dodatkowo w systemie
SSP monitorowane jest również położenie bram.
otw.
zam.
napęd
bramy
otw.
napęd
bramy
zam.
SB
SB
moduł
sterująco-monitorujący
systemu sygnalizacji
pożarowej
SB
230 V
50 Hz
Rys. 3. Schemat zasilania rezerwowego bram napowietrzających
oddymianie
szybów windowych
Temperatura
warstwa dymu
strefa przejściowa
dopływ
powietrza
oznaki
dymu
dopływ
powietrza
pożar
Zasięg dymu
Rys. 4. Mechanizm powstawania dymu i kolumny konwekcyjnej
56
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
W oddymianiu szybów windowych występują problemy związane
z detekcją pożaru oraz możliwością
umieszczenia w szybie windy czujek pożarowych. Ze względu na wysokość szybu windowego tradycyjne
czujki stają się mało przydatne ich
wysokość montażu to maks. 11 m,
a więc ok. 3–4 kondygnacji. Nie ma
też możliwości montażu czujek w poziomach pośrednich. Kolejny problem
to wymagania bezpieczeństwa użyt-
kowania, nie zawsze organy dozoru
zgadzają się na instalację okablowania i elementów w szybach windowych. Jeżeli już nawet uda się zainstalować tam czujkę to problemem jest
przepływ powietrza wywołany jazdą
windy, działa ona jak tłok, co utrudnia lub wręcz uniemożliwia wczesne
wykrycie pożaru.
Dlatego w szybach windowych stosuje się rozwiązania detekcji oparte
na czujkach zasysających analizujących parametry powietrza wewnątrz
i wykrywających oznaki pożaru.
rodzaje i zasada działania
instalacji sterującej
oddymianiem
Systemy sterowania oddymianiem
są wyzwalane automatycznie przez
urządzenia wykrywające pojawienie
się dymu lub wzrost temperatury powietrza, rozróżniamy przy tym:
§ systemy pneumatyczne,
§ systemy elektryczne,
§ systemy mechaniczne ,
§ systemy pneumatyczno-elektryczne, gdzie mamy połączenie funkcji oddymiania (uruchamiane jest
pneumatycznie i przewietrzania
– wentylacji – uruchamiane elektrycznie).
Oprócz wyzwolenia automatycznego systemy wyposażone są w urządzenia wyzwalające ręcznie oraz z systemu sygnalizacji pożarowej. Współpraca instalacji oddymiającej często powinna być zsynchronizowana z pracą innych instalacji, bardzo trudno
to wykonać bez zastosowania dodatkowej instalacji integrującej, w tym
nr 10/2014
przypadku wchodzi w grę jedynie system sygnalizacji pożarowej.
Podłączenie systemu oddymiania
do instalacji sygnalizacji pożarowej
umożliwia zsynchronizowanie jej
pracy z zadziałaniem instalacji tryskaczowej, uruchomieniem kurtyn
dymowych, zamknięciem oddzieleń
przeciwpożarowych, zatrzymaniem
działania instalacji użytkowych i co
jest bardzo ważne – otwarciem automatycznym otworów napowietrzających.
Dlatego zasada ich działania jest
różna, w zależności od zastosowanego rozwiązania.
instalacje pneumatyczne
Pneumatyczny system sterowania
oddymianiem swe działanie opiera
na energii kinetycznej CO2, zebranej
pod wysokim ciśnieniem w naboju.
Klapy oddymiające w automatycznym systemie sterowania otwierają
się za sprawą termowyzwalacza zamontowanego na podstawie lub zamocowanym na stelażu dolnym klapy. Termowyzwalacz został wyposażony w topikowy bezpiecznik, czyli
nabój CO2. Jego masa zależy od wielkości klapy. Bezpiecznik topikowy
posiada mechanizm, który uwalnia
iglicę przebijającą nabój.
W chwili wybuchu pożaru klapy
oddymiające zostają otwarte za sprawą bezpiecznika topikowego. Do jego
pęknięcia dochodzi w momencie, kiedy temperatura osiągnie 68–72° (czerwony topik) lub 88–93° (zielony topik) w starszych rozwiązaniach wyzwolenie następowało w momencie
przetopienia spoiny łączącej dwie
blaszki. Przy zbyt wysokiej temperaturze iglica termowyzwalacza przebija osłonę naboju CO2 i wówczas dochodzi do uwolnienia gazu. Dwutlenek węgla, który wydostał się z naboju poprzez przewód instalacji pneumatycznej przedostaje się siłownika
znajdującego się pod klapą. W tym
momencie ma miejsce wypchanie tłoczyska siłownika oraz jego zamknięcie na poziomie wysuniętym maksymalnie.
nr 10/2014
Sterowanie ręczne (manualne)
oparte jest o dwa systemy otwierania klap:
§ system, w którym wypływ CO2
z właściwych naboi następuje po
ich przebiciu w skrzynce, tzw. „pilota” – następuje wówczas wypływ gazu z jednej butli, który powoduje poprzez instalację pneumatyczną (przewody) przedostaje
się do „właściwej” skrzynki. Tam
znajduje się więcej naboi dochodzi do uwolnienia dużej ilości
gazu, który znów instalacją pneumatyczną przedostaje się do klap
umieszczonych w przestrzeni oddymiania i otwiera je. Takie rozwiązanie umożliwia jednoczesne
otwarcie dużej ilości klap w tym
samym czasie,
§ system, w którym nie ma skrzynki pośredniczącej, a uruchomienie klap następuje bezpośrednio
ze skrzynki właściwej. Wówczas
również możliwe jest jednoczesne
otwarcie jednej lub kilku klap.
Skrzynki sterujące mogą zostać
opcjonalnie wyposażone w elektrozawór, który to zostaje zasilony napięciem 24V. Elektrozawór doprowadza do sprzężenia instalacji pneumatycznej z centralą, sygnalizacji pożarowej. W tym momencie system oddymiania automatycznie zostaje uruchomiony, gdyż impuls elektryczny
dotarł do skrzynki z CSP.
instalacje mechaniczne
Spotykane są również rozwiązania, w których uruchomienie instalacji następuje w momencie przekroczenia temperatury w otoczeniu klapy
i zadziałania elementu topikowego.
Klapa unoszona jest do góry za pomocą siłowników pneumatycznych lub
sprężynowych. Dodatkowo, w niektórych rozwiązaniach jest możliwość
zastosowania specjalnego rygla elektromagnetycznego do uruchomienia
instalacji z systemu sygnalizacji pożarowej. Często jednak klapy sterowane
są indywidualnie – w teorii oznacza
to, że im większy pożar, tym więcej
klap się powinno otworzyć, w praktyce bywa różnie.
instalacje elektryczne
W momencie wykrycia produktów
spalania przez czujki dymu lub przyrostu temperatury przez czujki temperatury, następuje ich pobudzenie.
Sygnał alarmu dociera do centrali oddymiania, a następnie za pośrednictwem siłowników centrala steruje
otwarciem okien lub klap oddymiających oraz napowietrzających. Jednocześnie sygnał może być przekazywany jest do centrali sygnalizacji pożarowej budynku (o ile taka jest w budynku) lub elementy detekcyjne i sterowanie pochodzi z systemu SSP. Uruchomienie systemu może też nastąpić poprzez wciśnięcie ręcznego przycisku oddymiania. Otwarcie klap jest
sygnalizowane optycznie i akustycznie zazwyczaj w przyciskach alarmowych oddymiania lub za pomocą sygnalizatorów optyczno-akustycznych.
Tego typu systemy posiadają też możliwość otwarcia klap w celu przewietrzenia pomieszczeń, służą temu specjalne przyciski przewietrzające, które umożliwiają ręczne otwarcie i zamknięcie klap i okien oddymiających.
Dodatkowo w celu zabezpieczenia zarówno samej instalacji, jak i elementów budynku oraz materiałów w nim
zgromadzonych stosuje się specjalne
moduły pogodowe, które zapewniają
automatyczne zamknięcie otworów
przy silnym wietrze lub deszczu.
literatura
1. RMI z dnia 12 kwietnia 2002 r.
w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
2. RMSWiA z dnia 2 czerwca 2010 r.
w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków innych obiektów budowlanych i terenów.
3. PN-B-02877-4 Instalacje grawitacyjne do odprowadzania dymu
i ciepła.
4. Dokumentacja techniczno-ruchowa zasilacza ZUP firmy Merawex
Sp. z o.o.
5. Edward Skiepko, Instalacje przeciwpożarowe, DW MEDIUM Warszawa 2010.
6. Edward Skiepko, Instalacje oddymiania grawitacyjnego – poradnik projektanta, instalatora użytkownika, wydanie firmy D+H
Sp. z o.o., Wrocław 2014.
wnioski
Projektowanie instalacji oddymiania grawitacyjnego to trudny i złożony proces, znajomość wspomnianych
wyżej zjawisk i rozwiązań technicznych umożliwia trafną interpretację
zasad projektowania, które w dużej
mierze opierają się na wiedzy technicznej. Kolejnym ważną kwestią są
rozwiązania projektowe i instalacyjne
– o tym w kolejnej części artykułu.
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
57